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Additive manufacturing on chip

Additive Fertigung auf Chipoberflächen

  • Recent advances in additive manufacturing offer promising opportunities for the fabrication of structures on existing micro-(opto-acoustic )electro-mechanical systems, i.e., chips. This is of particular significance in research and development due to the adaptability and adaptation speed of additive manufacturing. These advantages provide the ability to individualize the fabrication of structures and to enable the rapid prototyping approach. The combination of additive manufacturing on chip already enables current research, especially in photonic and microfluidic fields. Despite this, additive manufacturing on chip has never been applied to acoustic sensors or micro-positioning chips. Such devices could benefit from the mentioned advantages, especially for the fabrication of beam shaping waveguides, packaging, grating and end effector structures. Additive manufacturing by two-photon polymerization lithography gathers interest in industry and research due to its capabilities for the fabrication of structures with minimum feature sizesRecent advances in additive manufacturing offer promising opportunities for the fabrication of structures on existing micro-(opto-acoustic )electro-mechanical systems, i.e., chips. This is of particular significance in research and development due to the adaptability and adaptation speed of additive manufacturing. These advantages provide the ability to individualize the fabrication of structures and to enable the rapid prototyping approach. The combination of additive manufacturing on chip already enables current research, especially in photonic and microfluidic fields. Despite this, additive manufacturing on chip has never been applied to acoustic sensors or micro-positioning chips. Such devices could benefit from the mentioned advantages, especially for the fabrication of beam shaping waveguides, packaging, grating and end effector structures. Additive manufacturing by two-photon polymerization lithography gathers interest in industry and research due to its capabilities for the fabrication of structures with minimum feature sizes beyond the diffraction limit. The objective of this work is the investigation of additive manufacturing on chip by two-photon polymerization lithography at the example of an acoustic sensor and a micro-positioning chip. One of the greatest challenges is posed by the optical, thermodynamic, adhesion and alignment effects, which are introduced to the fabrication process by these complex substrates. Optical and thermodynamic models were established, and simulations were performed, culminating in a compensation method to address these effects, which was verified by parameter studies. The substrate alignment was investigated via optical technique, resulting in the development, manufacturing and verification of a novel alignment upgrade to the fabrication system employed in this work. The influence of process materials posed another challenge, as they led to chip performance alterations and restrictions. Chips treated with these materials were characterized, e.g., using high frequency optical microphones. Owing to the high precision of the alignment upgrade and the compensation method developed in this work, additive manufacturing on chip using two-photon polymerization lithography on the investigated devices was reported for the first time and presented for expedient examples, e.g., waveguides, end effectors and gratings. The residue contamination was determined as the main origin of the exhibited performance issues. Development strategies were recommended for further research, to enable additive manufacturing on chip insensitive to residual materials. In this work, the requirements for additive manufacturing on chip were illustrated and the fundamental arrangement to enable the rapid prototyping approach as well as design individualization were demonstrated. The compensation methods developed in this work facilitate upcoming research on desirable chip types that form the basis for optical and microfluidic applications.show moreshow less
  • Jüngste Fortschritte in der additiven Fertigung bieten vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung von Strukturen auf mikro-(opto-akustischen) elektromechanischen Systemen, d.h. Chips. Dies ist aufgrund der Anpassungsfähigkeit und -geschwindigkeit der additiven Fertigung von besonderer Bedeutung für die Forschung und Entwicklung. Diese Vorteile bieten die Möglichkeit, die Herstellung von Strukturen zu individualisieren und die Rapid-Prototyping-Methode einzusetzen. Der Kombinationsansatz der additiven Fertigung auf Chipoberflächen ermöglicht bereits Forschung, insbesondere in der Photonik und Mikrofluidik. Es wurde auf akustischen Sensoren oder Mikro-Positionierungschips bisher nie angewendet. Solche Komponenten könnten von den genannten Vorteilen profitieren, insbesondere bei der Herstellung von strahlformenden Wellenleitern sowie von Gitter- und Endeffektorstrukturen. Additive Fertigung mittels Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie stößt auf großes Interesse, da der Prozess die Fertigung von Strukturen mit minimalenJüngste Fortschritte in der additiven Fertigung bieten vielversprechende Möglichkeiten zur Herstellung von Strukturen auf mikro-(opto-akustischen) elektromechanischen Systemen, d.h. Chips. Dies ist aufgrund der Anpassungsfähigkeit und -geschwindigkeit der additiven Fertigung von besonderer Bedeutung für die Forschung und Entwicklung. Diese Vorteile bieten die Möglichkeit, die Herstellung von Strukturen zu individualisieren und die Rapid-Prototyping-Methode einzusetzen. Der Kombinationsansatz der additiven Fertigung auf Chipoberflächen ermöglicht bereits Forschung, insbesondere in der Photonik und Mikrofluidik. Es wurde auf akustischen Sensoren oder Mikro-Positionierungschips bisher nie angewendet. Solche Komponenten könnten von den genannten Vorteilen profitieren, insbesondere bei der Herstellung von strahlformenden Wellenleitern sowie von Gitter- und Endeffektorstrukturen. Additive Fertigung mittels Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie stößt auf großes Interesse, da der Prozess die Fertigung von Strukturen mit minimalen Dimensionen jenseits der Beugungsgrenze ermöglicht. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung von dieses Fertigungsansatzes am Beispiel eines akustischen Sensors und eines Mikro-Positionierungschips. Eine der größten Herausforderungen stellen die optischen, thermodynamischen, Adhäsions- und Ausrichtungseffekte dar, die durch diese komplexen Substrate eingebracht werden. Auf der Grundlage von optischen und thermodynamischen Modellen wurden Simulationen durchgeführt, die in einer Kompensationsmethode zur Bewältigung der Effekte kulminierten, welche durch Parameterstudien verifiziert wurde. Die Substratausrichtung wurde untersucht, was zur Entwicklung und Herstellung eines Ausrichtungs-Upgrades für das hier verwendete Fertigungssystem führte. Der Einfluss der Prozessmaterialien stellte eine weitere Herausforderung dar, da sie zu Veränderungen der Leistungsfähigkeit der Chips führten. Mit Entwicklungsmitteln und Fotolacken behandelte Chips wurden unter anderem mit optischen Hochfrequenzmikrofonen charakterisiert. Aufgrund der hohen Präzision der Kompensationsmethode und des Ausrichtungs-Upgrades, wurde erstmals die additive Fertigung mittels Zwei-Photonen-Polymerisationslithographie auf den untersuchten Bauelementen berichtet und an Wellenleitern, Endeffektoren und Gittern demonstriert. Die Kontamination durch Rückstände wurde als Hauptursache für die aufgezeigten Leistungsprobleme ermittelt. Es wurden Entwicklungsstrategien für die weitere Forschung empfohlen, um den Fertigungsansatz unempfindlich gegenüber Reststoffen zu machen. In dieser Arbeit wurden die Anforderungen an den Fertigungsansatz veranschaulicht und die grundlegende Anordnung zur Ermöglichung des Rapid-Prototyping-Ansatzes sowie der Design-Individualisierung demonstriert. Die in dieser Arbeit entwickelten Kompensationsmethoden ermöglichen die künftige Forschung an weiteren Chiptypen, die z. B. die Grundlage für optische oder mikrofluidische Anwendungen bilden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Severin Franziskus Georg SchweigerORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-64555
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6455
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. nat. Harald Schenk, Prof. Dr. mont. Mario Kupnik
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/07/05
Release Date:2023/09/06
Tag:Additive Fertigung; Akustische Wellenleiter; Mikrofluidik; Mikronadeln; Zwei-Photonen Lithographie
Additive manufacturing; Capacitive micromachined ultrasonic transducer; Microelectromechanical systems; Nanoscopic electrostatic drive; Two-photon polymerization
GND Keyword:Additive Fertigung; Mikrofluidik; MEMS; Rapid Prototyping; Microfluidics; Microelectromechanical systems
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Mikro- und Nanosysteme
Licence (German):Creative Commons - CC BY-SA - Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International
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